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王克范
(太原化學工業集團有限公司，山西太原030021)
摘要：敘述了美國、澳大利亞及中國從海藻中提取生物柴油的研發狀況，指出，發展從海藻中提取生物柴油的未來發展可促進CO2的消化，實現碳封存、獲得更多的副產品及培養更優質的藻類品種。
0引言
海洋里有5×10^4多種藻類，作為海洋植物的主體，在光合作用下迅速繁衍生息。海藻的繁殖力極強，1d就能繁殖新的一代，生長周期短、生物產量高，自身合成油脂能力強，含油率一般在20%～70%。從海藻中提取的油脂，成分與植物油相似，可作為生物柴油替代石油，用于工業和柴油發動機[1]。這對中國缺油、少氣、多煤的能源結構調整以及能源安全的保證，都將發揮巨大的作用。
海藻在光合作用下，需要CO2，每生產1t海藻生物柴油，可消耗7tCO2[2]。在發展海藻生物柴油的同時，還可減少大氣中CO2的排放?？梢哉f，海藻是1種優質的生物質能源。
1美國從海藻中提取柴油的狀況
20世紀80年代，美國能源部在加州沿海建立了400×10^4km2的海底農場，專門種植多年生巨藻，以特殊船只3次/d采收水深2m以下的海藻，再通過天然細菌發酵或人工發酵，合成天然氣(主要是CH4)。目前，其合成的天然氣達6.23×10^8m3，不僅可滿足5×10^4戶家庭1a的需求，且單位成本僅為工業開采天然氣成本的1/6左右[3]。
美國政府已確定，到2030年，美國運輸燃料的30%用生物燃料替代。由于乙醇生物燃料是使用玉米提取的，這不僅會影響糧食安全生產，還會導致糧食價格的上漲。因此，在替代石油燃料的資源中，海藻處于領先地位。1978年至1996年，美國能源部為向海藻再生開發燃油的項目投資了2500×10^4美元。研究結果證實，由于海藻具有極強的生長能力，在單位面積及單位時間上，海藻所生產的油脂量高于陸生油料作物30倍；另外，還節省了陸生油料作物所消耗的淡水、肥料和大量的土地資源，因此，海藻生長成本比陸生植物低(全球石油俱樂部評估結果表明1hm2海藻能生產9.6×10^4L/a生物柴油，1hm2油椰子能生產6.0×10^4L/a生物柴油，1hm2大豆只能生產446L/a生物柴油)[1]。
近年來，由于石油價格大幅上揚，美國政府和各大石油公司大力支持和資助從事海藻再生能源研究的機構，科學家又重聚海藻研究實驗室和現場，使得利用海藻生產生物柴油取得了突破性進展，應用現代生物工程技術，已經開發出含油率超過60%的工程海藻，實現了海藻油脂的提取和生物柴油的制造，由實驗室轉向小規模工業化生產。美國能源部計劃2010年實現微藻制備生物柴油工業化，到2015年，將生產成本降至0.53美元/L～0.63美元/L[2]。
2澳大利亞從海藻中提取柴油的狀況
2009年底，筆者有幸從澳大利亞墨爾本獲得澳大利亞的“富基綠色新能源生物柴油(Fulifuelblodiesel)”項目的資料，從中得知，該項目進行了大量的藻類優良品種篩選工作，在5×10^4多種海藻中，最終精選出脂質含量高的3個優秀品種，a)微擬球藻(Nannochloropsis sp)，其脂質含量為凈重的31%～68%；b)裂殖壺菌(Schizochytrium sp)，其硅藻脂含量為凈重的50%～77%；c)布朗葡萄藻(Botryococcus braunii)，其硅藻脂質含量為凈重的25%～75%。這3種微藻中，以微擬球藻最優，因為其抗菌力強，生命力頑強；易于生養，培育簡單，處理方便；咸水物種；高脂質含量(脂質達凈重的70%)。資料中反映，澳大利亞富基綠色新能源生物柴油的生產系統，主要流程(見圖1)。
項目在1000m2的實驗現場中進行，設專人負責藻菌培育室、試驗室以及用透明的很粗的塑料管構成的，呈閉合循環狀的光合作用反應器。在實驗中若發現某一段反應器存在異常，可立即進行切換處理，使閉合循環仍能繼續進行。藻菌光合作用反應器管道與藻菌加入口、水的加入口、CO2通入口等連接著。藻類收獲后，將其送至提煉設施，再通過脂類提煉或干制法進行濃縮，將提煉出的脂類轉化成生物柴油和甘油。盡管相對于干制法，用于脂類提煉的濕制法成本和能耗低，但是干制法能產生包含濃縮脂類等的干物質，所有的付產品(蛋白質，碳)都會被再利用，產生出更高的附加值。若準備建廠，應選與熱電廠距離近一些的地方，這樣便于利用電廠煙道氣中排除的CO2，通入光合反應器，使微擬球藻等得到足夠的營養。
所收集的資料中，附有由美國著名的FUJL Fuel Blo Dlesel公司，對澳大利亞富基綠色新能源生物柴油項目評估為可信賴等級的1份項目預算表(見表1)，表1給出了預期效益的分析。
澳大利亞的富基綠色新能源生物柴油項目的預期產量為160×10^4L/d，約合45×10^4t/a左右，需投資110×10^8元人民幣，利潤達22×10^8元/a人民幣，投資回報率為19.87%，投資回收年限為5a。
以建設200個基礎農場為例，預期設計的含油量為凈重等值的40%，生物柴油批發出廠價按1.05澳元計，脫脂濕生物質的計量按0.50澳元/kg(凈重等值)計，所產油的預期含油量設為85%，可產出濕生物質10732379kg/d。按每頭奶牛飼料消耗28kg/d計，可養殖奶牛383299頭，占用土地2170hm2。
3中國從海藻中提取柴油的狀況
中國海藻生物能源研究，雖然起步較晚，但在微藻大規模培養方面走在世界前列。養殖的微藻種類包括螺旋藻、小球藻、柵藻，雨生紅球藻等。中科院大連化學物理研究所等單位在產氫微藻，清華大學等單位在產油淡水微藻方面，都有一定的研究基礎[3]。2008年10月，海南綠地微藻生物科技有限公司利用CO2養殖微藻，成功地轉換成生物柴油，在其養殖試驗基地收獲的干藻粉含油率達28%～32%。2008年12月，河北新奧集團已經在光生物反應器，生物柴油制備等藻類生物質能源技術領域取得了10多項具有自主知識產權的成果。以海藻為原料，成功地進行了生物柴油和生物燃氣的中試，予計3a～5a內，逐步實現藻類生物能源的產業化。2009年2月，中科院與中石化集團在聯合召開的“海藻生物柴油成套技術”項目啟動會上宣布，近期要完成小試研究，2015年前后實現戶外中試裝置研發，遠期將建設1×10^4t級工業示范裝置。2009年4月，上海市科委批準立項的上海交通大學生命科學技術學院海藻制油項目已取得小試階段性成果[1]。
中科院海洋研究所獲得了多株系油質含量在30%～40%的高產能藻株，微藻產油研究取得了重要成果。如，細胞密度達到20g/L，產油量7g/m2(是目前農業種子產量的2倍)；雪藻能在1m2光照面積內生產35.3g/dAFDW(去灰分干重)。該生物量相當于46.4g植物種子量，是目前高產農田的11倍。中國海洋大學創建了海藻類種子資源庫，已收集600余株海洋藻類種子資源，保有油脂含量接近70%的微藻品種。在山東無棣縣實施的裂壺藻(油脂含量50%，DHA含量40%)養殖項目正在建設一期工程，在利用灘涂能源植物，如，堿篷、海濱錦葵、油葵及地油制造生物柴油方面取得了重大技術突破[3]。
2010年，廣州、深圳、廈門先后出現的“年產3000t海藻生物柴油中試廠”項目，皆融資3000×10^4元，提出了兩步法光生物反應器海藻生長系統設計方案，不但解決了光生物反應器中海藻生長和富集脂質的矛盾，而且解決了反應器用于工業化生產存在的問題[2]。中試廠項目內容包括從電廠煙道回收CO2、培養海藻、海藻收集、海藻油萃取、生物柴油制造以及甘油和藻渣付產品加工，可以達到的目標為，a)生產3000t海藻生物柴油，付產300t燃料油；2500t飼料；減排CO22.1×10^4t(也有的付產甘油產品)；b)實現海藻生產極為迅速的工藝，24h內可增加1倍；3.5h可達到對數生長期。使多數海藻含油量保持在20%～50%，部分海藻(干物質量)的含油量提高到77%～80%；c)中試廠投產后，若達產1×10^4t，可獲純利2000×10^4元/a。中試總投資(估算)6.0×10^8元[2]。
4未來的發展
4.1利用海藻生物消化CO2
利用海藻吸收CO2是科學家正在重點研究的1個項目，日本的海洋學家在太平洋的洋面上鋪設100張(每張邊長為10km)正方形魚網，利用這些魚網作為海藻生長的場所。某些海藻，如，馬尾藻等會在1a內長到10m長，其間，由于光合作用，吸收CO2，釋放出O2。
這些海藻在被收成后可以轉化成生化燃料等有用物質，同時，這些魚網也成了大量浮游生物的寄生場所，成為魚類產卵的好地方，也因此增加了魚類資源。
美國的Earthrise公司還在加利福尼亞州的淺海區域培殖藍綠藻，這種水藻的蛋白質成分很高，營養價值豐富，是地球上最能有效吸收CO2，并釋放出O2的植物。它所需要的高濃度CO2完全來自工廠所排放的廢氣。
藻類物質在無氧環境中形成純碳。碳作為有機肥料再用于未來的藻類培養。這種循環鏈能夠實現碳封存的目的。
4.2海藻生物柴油生產的付產品
從海藻中提取生物柴油后，殘留物富含蛋白質，能加工成動物和魚類的飼料，食物和制藥產品等多種付產品；藻類物質通過微生物消化，還能產生沼氣，提供新的能源。
4.3培養更優質的藻類品種
通過調整藻類基因，使脂類及其他特定產品的產量最大化，轉基因品種與自然生長品種相比，在回報方面具有潛在的優勢。
5結語
微藻資源豐富，不會因收獲而破壞生態系統，可大量培養而不占用耕地。它的光合作用效率高，生長周期短，單位面積年產量是糧食的幾十倍乃至上百倍。
微藻脂類含量在20%至70%，是陸地植物遠遠達不到的，不僅可生產生物柴油或乙醇，還有望成為生產H2的新原料。在使用秸稈生產乙醇汽油之后，利用微藻生產生物柴油則是現在最新的“綠色”燃油技術。
參考文獻：
[1]劉永平.海藻生物燃料產業化開發的進展[J].中外能源，200914(9)：31-38.
[2]劉生.年產3000t海藻生物柴油中試廠項目[ED/OL].[2010-01-22].http：//www.3d-vc.com/.
[3]劉永平.年產3000t海藻生物柴油中試廠項目[ED/OL].[2010-01-22].http：//www.3d-vc.com/. |
